大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與鉀鹽成礦研究簡(jiǎn)述

中國(guó)科學(xué)院 梁光河

lgh@mail.iggcas.ac.cn

摘要：鉀鹽是重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，雖然已經(jīng)有諸多關(guān)于鉀鹽礦成因的研究，但關(guān)于大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與鉀鹽成礦的構(gòu)造背景和成礦模式方面的研究還比較分散。本文首先從鉀元素的初始成因出發(fā)，梳理出鉀鹽的物質(zhì)來(lái)源。然后分別從鉀鹽礦形成的大地構(gòu)造環(huán)境進(jìn)一步分析在穩(wěn)定克拉通環(huán)境、陸塊匯聚環(huán)境和陸塊裂解環(huán)境下的鉀鹽礦成礦過(guò)程。說(shuō)明包括構(gòu)造、物質(zhì)來(lái)源和氣候三要素都是大陸漂移和大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。大地構(gòu)造是鉀鹽礦形成的最為重要的因素，它控制了盆地的形成，也控制了鉀鹽的物質(zhì)來(lái)源，還間接控制的蒸發(fā)巖沉積過(guò)程中陸塊的空間位置和氣候條件。最后通過(guò)印支地塊中的呵叻盆地鉀鹽礦實(shí)例，給出了一個(gè)鉀鹽礦多級(jí)凹陷預(yù)富集成礦模式。結(jié)果說(shuō)明大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是鉀鹽礦成礦的最主要控制因素。

關(guān)鍵詞：大地構(gòu)造；鉀鹽礦；成礦過(guò)程；研究綜述

1  鉀的來(lái)源與鉀鹽礦形成的主控因素

1.1 鉀元素的來(lái)源

普遍認(rèn)為宇宙中所有元素都是宇宙大爆炸產(chǎn)生的，宇宙早期形成的第一代恒星僅由最輕的氫和氦等氣體元素組成形成，在隨后的數(shù)百萬(wàn)年里，這些原始?xì)鈭F(tuán)壓縮形成了第一代恒星，它們是其他重元素的誕生地^[1]。在恒星內(nèi)部的高溫高壓下新元素的形成以核聚變的方式進(jìn)行，依次發(fā)生氫>氦>碳>氧>硅>鉀核合成過(guò)程。整個(gè)宇宙主要是由氫和氦元素組成的，其余元素的豐度隨其原子序數(shù)的增加而迅速下降^[2]。鉀在宇宙中的含量極小，幾乎可以忽略不計(jì)；銀河系中鉀的含量也非常小，銀河系中氫和氦共占99.84%；鉀占0.000012%。地球上鉀的豐度為0.083% ^[3]。地球上不同類(lèi)型的巖石鉀含量變化很大，花崗巖中約3%，玄武巖中約0.5%，橄欖巖中約0.04% ^[4]。橄欖巖和玄武巖是地幔的代表性巖石，花崗巖是地殼的代表性巖石。這說(shuō)明地球上從深到淺鉀元素有逐漸富集的特征。總體來(lái)講，從宇宙到太陽(yáng)系，鉀元素總體上呈現(xiàn)富集趨勢(shì)。在地球上從地幔到地殼，鉀元素也呈現(xiàn)富集趨勢(shì)。地球的淺表層是宇宙中鉀素最為富集的場(chǎng)所之一。

地球上鉀鹽的來(lái)源具有多源性，一是風(fēng)化殼含鉀礦物和巖石風(fēng)化淋濾、溶解的流體；二是海退殘留的古海水；三是巖漿活動(dòng)的富鉀熱液、熱泉等^[3]。它們?cè)诖蟮貥?gòu)造運(yùn)動(dòng)控制下遷移到盆地中，在干旱氣候環(huán)境下蒸發(fā)沉淀形成。也就是說(shuō)鉀鹽礦的形成，是地球上含鉀巖石分解出可溶性鉀鹽，之后遷移二次富集的產(chǎn)物。

1.2 鉀鹽礦形成的主控因素

鉀鹽礦屬蒸發(fā)巖沉積礦床，鉀鹽的成礦過(guò)程是含鉀鹵水蒸發(fā)濃縮的結(jié)果。鹵水蒸發(fā)濃縮過(guò)程中依據(jù)其中溶解物的溶解系數(shù)大小，順序析出不同的礦物，典型順序是碳酸鹽-石膏-石鹽-鉀石巖-光鹵石-溢晶石和水氯鎂石。前人的研究表明“氣候-物源-構(gòu)造”三要素耦合是鉀鹽礦形成的主控因素^[5-7]。鉀鹽礦床形成的基本條件為: 一是有利的地質(zhì)構(gòu)造和地理地形條件，能夠形成封閉、半封閉的大盆地；二是豐富的鉀鹽物質(zhì)來(lái)源；三是干旱的古氣候條件；四是效的保護(hù)蓋層使鉀鹽形成后避免溶解流失。事實(shí)上大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不但控制了盆地的形成，也控制了鉀鹽物質(zhì)來(lái)源，還控制了保護(hù)蓋層的形成，同時(shí)大陸漂移也間接地控制了成鉀盆地所處的地理位置和氣候特征，因此大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是鉀鹽礦形成的主控因素。

從鉀鹽礦形成的地質(zhì)時(shí)代看, 還沒(méi)有見(jiàn)到前寒武紀(jì)的鉀鹽礦。但在地史上鉀鹽礦床的分布卻存在著很大的差異性。基于全球主要含鉀鹽盆地和成鉀年代統(tǒng)計(jì)^[8-9]，發(fā)現(xiàn)古生代形成的鉀資源量約占全球資源量的74% 中生代約占24% 新生代約占2%。至于為什么從古生代到新生代，地球上形成的鉀鹽資源越來(lái)越少，還沒(méi)有見(jiàn)到明確的結(jié)論，推測(cè)可能和全球氣候變化有關(guān)，從古生代到現(xiàn)在地球總體是在降溫過(guò)程中^[10]，降溫幅度高達(dá)20°C。歷史上存在幾個(gè)成鉀高峰期，泥盆紀(jì)是最高峰，白堊紀(jì)和侏羅紀(jì)是次高峰。這幾個(gè)成鉀高峰期應(yīng)該是構(gòu)造、氣候和物源耦合形成的。

2  大地構(gòu)造環(huán)境與鉀鹽礦成礦

大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是盆地形成的決定因素，也提供了鉀鹽礦的物質(zhì)來(lái)源。從大地構(gòu)造環(huán)境來(lái)看，主要分三類(lèi)，分別是穩(wěn)定克拉通環(huán)境、陸塊匯聚環(huán)境和陸塊裂解環(huán)境。

2.1 穩(wěn)定克拉通陸塊鉀鹽成礦

古生代是地球上鉀鹽礦的主要成礦期，大型礦床主要產(chǎn)于穩(wěn)定的克拉通陸塊中^[5]。鉀鹽礦床形成在克拉通陸塊內(nèi)持續(xù)凹陷的盆地中，克拉通盆地基底密度大，在大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，持續(xù)沉降形成巨大的沉積盆地，同時(shí)盆地邊緣地帶發(fā)育環(huán)礁，形成有利于形成鉀礦的封閉和半封閉環(huán)境，在海水?dāng)嗬m(xù)補(bǔ)給、盆地持續(xù)沉降的耦合作用下，再遇上干熱的氣候環(huán)境在盆地內(nèi)持續(xù)蒸發(fā)濃縮，鉀鹽礦最終沉積下來(lái)形成大型鉀鹽礦。世界上著名的有加拿大薩斯喀徹溫鉀鹽礦和俄羅斯西伯利亞涅帕鉀鹽礦，它們分別形成在北美克拉通陸塊和西伯利亞陸塊內(nèi)。

2.2 陸塊裂解環(huán)境下鉀鹽成礦

中生代未的Pangea超大陸裂解過(guò)程中，也就是大西洋形成之初，首先發(fā)育形成一個(gè)巨型近南北向的裂谷盆地或海槽。裂谷盆地內(nèi)鉀鹽物源除了來(lái)自海水的補(bǔ)給，還存在深部流體以及火山活動(dòng)帶來(lái)的大量鹵素。在干熱氣候條件下蒸發(fā)濃縮沉積下來(lái)，形成裂谷型鉀鹽礦床。新生代紅海裂谷形成了以色列和約旦地區(qū)的死海鹵水鉀鹽礦以及埃塞俄比亞達(dá)納基爾洼地鉀礦。中國(guó)有著名的江漢盆地深部含鉀鹵水。這都是典型的陸塊裂解環(huán)境下形成的鉀鹽礦。事實(shí)上，大陸板塊裂解和匯聚的早期是鉀鹽礦形成的主要階段。著名的有白堊紀(jì)剛果鉀鹽礦就是如此形成的，圖1顯示了大西洋裂解早起階段（110Ma）的狀態(tài)^[11]，表明剛果鉀鹽礦形成于當(dāng)時(shí)的裂谷環(huán)境下的沉積盆地中，該裂谷北有幾內(nèi)亞灣、南有鯨海嶺阻擋，形成了與外海半連通的盆地，在海水的持續(xù)補(bǔ)給和斷裂以及火山帶來(lái)的深部鹵水供應(yīng)下，與干旱的氣候條件耦合，形成了著名的剛果大型鉀鹽礦床。

 

圖1  南大西洋裂解早期（110Ma）海陸分布與鉀鹽礦盆地（改自文獻(xiàn)[11]）

Fig.1  The distribution of sea and continents in the early cracking of the South Atlantic (110Ma) and potash deposits basin

2.3 陸塊匯聚環(huán)境下鉀鹽成礦

從中生代到新生代，隨著南半球?qū)呒{大陸的裂解，諸多陸塊向北漂移到北半球副熱帶區(qū)，并持續(xù)與古歐亞板塊匯聚碰撞。多個(gè)小陸塊相互被“圈閉”，在前陸盆地區(qū)域，發(fā)育邊緣海盆，進(jìn)而形成半封閉或封閉的蒸發(fā)巖盆地。殘留古海水經(jīng)蒸發(fā)濃縮形成鉀鹽礦床。涵蓋泰國(guó)和老撾的呵叻盆地鉀鹽礦、中亞鉀鹽礦、東歐喀爾巴阡山鉀鹽礦、法國(guó)和北非摩洛哥等地的鉀鹽礦都是在特提斯域陸塊匯聚過(guò)程中形成的。中國(guó)大陸也是由多個(gè)小陸塊經(jīng)過(guò)多期次碰撞拼合而成^[12,13]，形成了中國(guó)西部諸多鉀鹽礦床，主要是青海的察爾汗鉀鹽礦和新疆的羅布泊鉀鹽礦。值得一提的是新疆羅布泊鉀鹽礦位于塔里木盆地的東側(cè)邊緣地帶，從其形成的大地構(gòu)造環(huán)境看，它發(fā)育在塔里木克拉通地塊中。宏觀上它也是新特提斯陸塊聚合的產(chǎn)物，但其形成的局部環(huán)境則是一個(gè)張性環(huán)境。塔里木地塊在擠壓逃逸過(guò)程中，陸塊內(nèi)部破碎塊體發(fā)生向西差異走滑和升降運(yùn)動(dòng)，在新生代晚期特別是第四紀(jì)，形成了近南北向的地塹式斷裂帶。加之新生代印度-歐亞碰撞過(guò)程中，塔里木盆地西部抬升，東部相對(duì)沉降^[14]，使這些地塹式斷裂帶區(qū)域形成了塔里木盆地的凹陷匯水中心，在干旱的古氣候條件下，多因素耦合形成了著名的羅布泊鉀鹽礦。

3  鉀鹽預(yù)富集成礦模式

鉀鹽礦的富集成礦模式很多，包括傳統(tǒng)的海相模式^[15]、海源陸相模式^[16]、高山深湖成鹽模式^[17]等等，還有最近提出來(lái)的鉀鹽后期改造成礦模式，如“凹口凸”鉀鹽成礦模式^[18]、環(huán)繞鹽丘走滑旋轉(zhuǎn)鉀鹽富集模式^[19]等等。這些成礦模式都和大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用密切相關(guān)。從世界上幾個(gè)超大型鉀鹽盆地分析結(jié)果表明，超大型鉀鹽礦形成通常都需要有一個(gè)或幾個(gè)預(yù)富集盆地（凹陷）先將海水進(jìn)行初步濃縮，之后再流向另一個(gè)盆地（凹陷）中進(jìn)一步濃縮蒸發(fā)。中國(guó)西部鹽湖鉀鹽礦形成也符合多級(jí)湖盆深湖階梯成礦模式^[17]。

位于印支地塊中的呵叻盆地鉀鹽礦床，形成于晚白堊世，也是大陸漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。青藏高原的隆升分多個(gè)階段^[20-23]，在南羌塘地塊、滇緬泰地塊、拉薩地塊與歐亞板塊碰撞拼貼過(guò)程中，印支地塊當(dāng)時(shí)處于它們之間^[24]，也就是說(shuō)呵叻盆地蒸發(fā)巖形成于這些地塊的匯聚環(huán)境下（圖2）。

呵叻盆地含鹽建造是在侏羅紀(jì)陸相盆地基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的^[25]。這說(shuō)明印支地塊內(nèi)的呵叻蒸發(fā)巖沉積形成于羌塘陸塊和拉薩陸塊與歐亞板塊碰撞造山后的逃逸走滑過(guò)程中，在這個(gè)過(guò)程中，印支地塊向東南方向運(yùn)動(dòng)，處于板塊運(yùn)動(dòng)的前緣，隨著地幔上涌出現(xiàn)伸展構(gòu)造^[26]，呵叻盆地邊緣發(fā)生斷陷進(jìn)而沉降，與東南方向的大洋處于半連通狀態(tài)，形成蒸發(fā)巖沉積，這個(gè)過(guò)程中形成鉀鹽礦。泰國(guó)鉀鹽礦物同位素測(cè)年表明，該地區(qū)鉀鹽形成年齡為93-76Ma^[27]。同位素測(cè)量結(jié)果顯示我國(guó)的思茅盆地鉀鹽形成于110-100Ma^[28]。說(shuō)明呵叻盆地鉀鹽礦與其西北方向的思茅盆地形成年代不一致，古海水來(lái)源方向不應(yīng)該來(lái)自西北方向。

圖2 晚白堊世地塊匯聚與印支地塊和呵叻盆地所處的大地構(gòu)造位置示意圖（改自文獻(xiàn)^[24]）

Fig.2  Schematic diagram of blocks convergence and the tectonic location of the Indochina block and the Khorat Basin in the Late Cretaceous

呵叻盆地是整個(gè)盆地的統(tǒng)稱(chēng)，普潘隆起將其分成兩個(gè)次級(jí)盆地，北部為沙空那空盆地和南部為呵叻盆地。一個(gè)大型盆地通常包括很多個(gè)凹陷，老撾鉀鹽礦主要分布沙空那空盆地的兩個(gè)凹陷中，分別是萬(wàn)象凹陷和甘蒙凹陷。其東南方向存在另外一個(gè)更大的蒸發(fā)巖沉積凹陷-沙灣拿吉凹陷（圖3）。

 

圖3 沙空那空盆地內(nèi)的萬(wàn)象、甘蒙、沙灣拿吉凹陷平面分布及古海水濃縮遷移方向示意圖

Fig.3  Schematic diagram of the distribution of the Vientiane, Khammuane and Savannakhet Sags in the Sakon Nakhon basin and the migration direction of paleo-seawater

海水自東往西補(bǔ)給盆地能夠得到諸多地球化學(xué)和地質(zhì)觀測(cè)證據(jù)的支持^[29,30]，Sattyayarak等（1990）的研究說(shuō)明^[31]，古海水逐漸由東往西濃縮，形成由東往西的碳酸鹽—硫酸鹽—石鹽—鉀鎂鹽 4 個(gè)較為完整的蒸發(fā)巖沉積相區(qū)。更重要的是從沙灣拿吉到甘蒙再到萬(wàn)象凹陷，這些蒸發(fā)巖沉積是同期形成的。

我們知道隨著海水的逐漸濃縮，濃縮后期的蒸發(fā)巖沉積順序是：石鹽-鉀石巖-光鹵石-溢晶石和水氯鎂石。沙空那空盆地古海水從東南往北西方向逐漸濃縮也有堅(jiān)實(shí)的鉆探證據(jù)支持，具體是：沙灣拿吉凹陷只有石鹽和鉀石鹽沉積物，說(shuō)明古海水還沒(méi)有濃縮到光鹵石階段，而甘蒙凹陷不但有石鹽、鉀石鹽，還有光鹵石沉積物，說(shuō)明鹵水進(jìn)一步濃縮了。到萬(wàn)象凹陷除了出現(xiàn)石鹽、鉀石鹽、光鹵石，還大量出現(xiàn)溢晶石和水氯鎂石，說(shuō)明鹵水已經(jīng)濃縮到了最后階段。

事實(shí)上，這些凹陷最終形成的鉀鹽礦層也是萬(wàn)象凹陷最為厚大，平均厚度達(dá)66m,甘蒙凹陷平均鉀鹽厚度約11m,而沙灣拿吉凹陷基本上沒(méi)有形成鉀鹽礦，只有一口井見(jiàn)到了0.4m的鉀石鹽礦化。圖4給出了從沙灣拿吉凹陷到甘蒙凹陷再到萬(wàn)象凹陷的海水預(yù)富集鉀鹽礦成礦模式示意圖。

 圖4 海水預(yù)富集鉀鹽礦成礦模式與老撾鉀鹽礦成礦期古海水濃縮遷移方向示意圖

Fig. 4  Schematic diagram of seawater pre-enrichment potash mineralization pattern and the direction of paleo-seawater concentration migration in the potash mineralization period in Laos

這種階梯狀盆地海水濃縮預(yù)富集模式在大型鉀鹽礦形成過(guò)程中普遍存在，例如剛果鉀鹽礦形成過(guò)程中，大西洋裂解形成的長(zhǎng)條狀裂谷盆地外圍，北部幾內(nèi)亞灣以北的局限海盆和南側(cè)鯨海嶺以南的局限海盆，都屬于鹵水濃縮的預(yù)富集盆地。還有，加拿大斯喀徹溫鉀鹽礦和西西里微陸塊鉀鹽礦的成礦都符合類(lèi)似的成礦模式^[9,12]。

4 結(jié)論

大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是鉀鹽礦成礦和改造的最主要控制因素之一。大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)了大陸板塊的裂解和聚合，控制了盆地的形成與消亡過(guò)程。鉀鹽礦的形成是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、物源和氣候三要素耦合的產(chǎn)物。鉀鹽礦形成后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)鉀鹽礦的改造和最終的就位也起到控制作用。厘清鉀鹽礦形成過(guò)程中的大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不但對(duì)鉀鹽礦的成因和改造作用具有重要意義，而且對(duì)鉀鹽礦的勘探開(kāi)發(fā)也具有現(xiàn)實(shí)意義。只有在成礦模式和構(gòu)造改造模式清楚的情況下，才能得到符合大地構(gòu)造演化歷史的鉀鹽礦找礦模式，進(jìn)而支持鉀鹽礦的勘探開(kāi)發(fā)。

A brief summary of studies on tectonic movement and potash mineralization

Liang Guanghe^1,2,3, Xu Xingwang^1,2,3

1.Key Laboratory of Mineral Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

2. Innovation Academy for Earth Science, CAS, Beijing 100029, China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

Abstract: Potassium salt is an important industrial and agricultural production material. Although there have been many studies on the source of potassium salt and the main controlling factors for its formation, the research on the tectonic movement and the structural background and mineralization model of potassium salt mineralization is still scattered. This paper starts from the initial cause of potassium, and sorts out the source of potassium salt. Then, from the tectonic environment formed by potash deposits, the mineralization process of potash deposits under the stable craton environment, block converging environment and block cracking environment were further analyzed. It shows that the three elements including structure, material source and climate are the result of continents drift and tectonic movement. The tectonic structure is the most important factor for the formation of potash deposits. It controls the formation of the basin, the material source of potash, and indirectly control the spatial location and climatic conditions of the continental block during the process of evaporite deposition. Finally, based on the example of the potash deposit in the Khorat Basin in the Indosinian block, a multi-level depression pre-enrichment model of potash deposit is given. The results indicate that the tectonic movement is the most important controlling factor for potash mineralization.

Keywords：tectonic structure; potash deposit; metallogenic process; research review

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引用格式：[1]梁光河,徐興旺.大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與鉀鹽成礦研究簡(jiǎn)述[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì),2021,43(01):1-6.

來(lái)源：地學(xué)時(shí)空  梁光河 徐興旺